Atmospheric carbon dioxide records indicate that the land surface has acted as a strong global carbon sink over recent decades, with a substantial fraction of this sink probably located in the tropics, particularly in the Amazon. Nevertheless, it is unclear how the terrestrial carbon sink will evolve as climate and atmospheric composition continue to change. Here we analyse the historical evolution of the biomass dynamics of the Amazon rainforest over three decades using a distributed network of 321 plots. While this analysis confirms that Amazon forests have acted as a long-term net biomass sink, we find a long-term decreasing trend of carbon accumulation. Rates of net increase in above-ground biomass declined by one-third during the past decade compared to the 1990s. This is a consequence of growth rate increases levelling off recently, while biomass mortality persistently increased throughout, leading to a shortening of carbon residence times. Potential drivers for the mortality increase include greater climate variability, and feedbacks of faster growth on mortality, resulting in shortened tree longevity. The observed decline of the Amazon sink diverges markedly from the recent increase in terrestrial carbon uptake at the global scale, and is contrary to expectations based on models.

Abstract: Arthropods, the most diverse component of terrestrial ecosystems, occupy a tremendous variety of functional niches and microhabitats across a wide array of spatial and temporal scales. We propose that conservation biologists should take advantage of terrestrial arthropod diversity as a rich data source for conservation planning and management. For reserve selection and design, documentation of the microgeography of selected arthropod taxa can delineate distinct biogeographic zones, areas of endemism, community types, and centers of evolutionary radiation to improve the spatial resolution of conservation planning. For management of natural areas, monitoring of terrestrial arthropod indicators can provide early warnings of ecological changes, and can be used to assay the effects of further fragmentation on natural areas that no longer support vertebrate indicator species. Many arthropod indicators respond to environmental changes more rapidly than do vertebrate indicators, which may exhibit population responses that do not become evident until too late for proactive management. Not all arthropod taxa are equally effective as indicators for conservation planning, and the qualities of indicators can differ for purposes of inventory versus monitoring. Assemblages of arthropod taxa used as biogeographic probes in inventories should exhibit relatively high species diversity, high endemism, and encompass the geographic range of interest. For monitoring purposes, indicator assemblages should exhibit varying sensitivity to environmental perturbations and a diversity of life‐history and ecological preferences.

Structurally intact tropical forests sequestered about half of the global terrestrial carbon uptake over the 1990s and early 2000s, removing about 15 per cent of anthropogenic carbon dioxide emissions1–3. Climate-driven vegetation models typically predict that this tropical forest ‘carbon sink’ will continue for decades4,5. Here we assess trends in the carbon sink using 244 structurally intact African tropical forests spanning 11 countries, compare them with 321 published plots from Amazonia and investigate the underlying drivers of the trends. The carbon sink in live aboveground biomass in intact African tropical forests has been stable for the three decades to 2015, at 0.66 tonnes of carbon per hectare per year (95 per cent confidence interval 0.53–0.79), in contrast to the long-term decline in Amazonian forests6. Therefore the carbon sink responses of Earth’s two largest expanses of tropical forest have diverged. The difference is largely driven by carbon losses from tree mortality, with no detectable multi-decadal trend in Africa and a long-term increase in Amazonia. Both continents show increasing tree growth, consistent with the expected net effect of rising atmospheric carbon dioxide and air temperature7–9. Despite the past stability of the African carbon sink, our most intensively monitored plots suggest a post-2010 increase in carbon losses, delayed compared to Amazonia, indicating asynchronous carbon sink saturation on the two continents. A statistical model including carbon dioxide, temperature, drought and forest dynamics accounts for the observed trends and indicates a long-term future decline in the African sink, whereas the Amazonian sink continues to weaken rapidly. Overall, the uptake of carbon into Earth’s intact tropical forests peaked in the 1990s. Given that the global terrestrial carbon sink is increasing in size, independent observations indicating greater recent carbon uptake into the Northern Hemisphere landmass10 reinforce our conclusion that the intact tropical forest carbon sink has already peaked. This saturation and ongoing decline of the tropical forest carbon sink has consequences for policies intended to stabilize Earth’s climate. Unlike Amazonian forests, African forests have maintained their carbon sink until recently but by 2030 the African carbon sink will have shrunk by 14 per cent and the Amazonian sink will reach almost zero.

Abstract. Forest structure and dynamics vary across the Amazon Basin in an east-west gradient coincident with variations in soil fertility and geology. This has resulted in the hypothesis that soil fertility may play an important role in explaining Basin-wide variations in forest biomass, growth and stem turnover rates. Soil samples were collected in a total of 59 different forest plots across the Amazon Basin and analysed for exchangeable cations, carbon, nitrogen and pH, with several phosphorus fractions of likely different plant availability also quantified. Physical properties were additionally examined and an index of soil physical quality developed. Bivariate relationships of soil and climatic properties with above-ground wood productivity, stand-level tree turnover rates, above-ground wood biomass and wood density were first examined with multivariate regression models then applied. Both forms of analysis were undertaken with and without considerations regarding the underlying spatial structure of the dataset. Despite the presence of autocorrelated spatial structures complicating many analyses, forest structure and dynamics were found to be strongly and quantitatively related to edaphic as well as climatic conditions. Basin-wide differences in stand-level turnover rates are mostly influenced by soil physical properties with variations in rates of coarse wood production mostly related to soil phosphorus status. Total soil P was a better predictor of wood production rates than any of the fractionated organic- or inorganic-P pools. This suggests that it is not only the immediately available P forms, but probably the entire soil phosphorus pool that is interacting with forest growth on longer timescales. A role for soil potassium in modulating Amazon forest dynamics through its effects on stand-level wood density was also detected. Taking this into account, otherwise enigmatic variations in stand-level biomass across the Basin were then accounted for through the interacting effects of soil physical and chemical properties with climate. A hypothesis of self-maintaining forest dynamic feedback mechanisms initiated by edaphic conditions is proposed. It is further suggested that this is a major factor determining endogenous disturbance levels, species composition, and forest productivity across the Amazon Basin.

Ecological orthodoxy suggests that old-growth forests should be close to dynamic equilibrium, but this view has been challenged by recent findings that neotropical forests are accumulating carbon1,2 and biomass3,4, possibly in response to the increasing atmospheric concentrations of carbon dioxide5,6. However, it is unclear whether the recent increase in tree biomass has been accompanied by a shift in community composition. Such changes could reduce or enhance the carbon storage potential of old-growth forests in the long term. Here we show that non-fragmented Amazon forests are experiencing a concerted increase in the density, basal area and mean size of woody climbing plants (lianas). Over the last two decades of the twentieth century the dominance of large lianas relative to trees has increased by 1.7–4.6% a year. Lianas enhance tree mortality and suppress tree growth7, so their rapid increase implies that the tropical terrestrial carbon sink may shut down sooner than current models suggest8,9,10. Predictions of future tropical carbon fluxes will need to account for the changing composition and dynamics of supposedly undisturbed forests.

Previous work has shown that tree turnover, tree biomass and large liana densities have increased in mature tropical forest plots in the late twentieth century. These results point to a concerted shift in forest ecological processes that may already be having significant impacts on terrestrial carbon stocks, fluxes and biodiversity. However, the findings have proved controversial, partly because a rather limited number of permanent plots have been monitored for rather short periods. The aim of this paper is to characterize regional–scale patterns of ‘tree turnover’ (the rate with which trees die and recruit into a population) by using improved datasets now available for Amazonia that span the past 25 years. Specifically, we assess whether concerted changes in turnover are occurring, and if so whether they are general throughout the Amazon or restricted to one region or environmental zone. In addition, we ask whether they are driven by changes in recruitment, mortality or both. We find that: (i) trees 10 cm or more in diameter recruit and die twice as fast on the richer soils of southern and western Amazonia than on the poorer soils of eastern and central Amazonia; (ii) turnover rates have increased throughout Amazonia over the past two decades; (iii) mortality and recruitment rates have both increased significantly in every region and environmental zone, with the exception of mortality in eastern Amazonia; (iv) recruitment rates have consistently exceeded mortality rates; (v) absolute increases in recruitment and mortality rates are greatest in western Amazonian sites; and (vi) mortality appears to be lagging recruitment at regional scales. These spatial patterns and temporal trends are not caused by obvious artefacts in the data or the analyses. The trends cannot be directly driven by a mortality driver (such as increased drought or fragmentation–related death) because the biomass in these forests has simultaneously increased. Our findings therefore indicate that long–acting and widespread environmental changes are stimulating the growth and productivity of Amazon forests.

Abstract. Aboveground tropical tree biomass and carbon storage estimates commonly ignore tree height (H). We estimate the effect of incorporating H on tropics-wide forest biomass estimates in 327 plots across four continents using 42 656 H and diameter measurements and harvested trees from 20 sites to answer the following questions: 1. What is the best H-model form and geographic unit to include in biomass models to minimise site-level uncertainty in estimates of destructive biomass? 2. To what extent does including H estimates derived in (1) reduce uncertainty in biomass estimates across all 327 plots? 3. What effect does accounting for H have on plot- and continental-scale forest biomass estimates? The mean relative error in biomass estimates of destructively harvested trees when including H (mean 0.06), was half that when excluding H (mean 0.13). Power- and Weibull-H models provided the greatest reduction in uncertainty, with regional Weibull-H models preferred because they reduce uncertainty in smaller-diameter classes (≤40 cm D) that store about one-third of biomass per hectare in most forests. Propagating the relationships from destructively harvested tree biomass to each of the 327 plots from across the tropics shows that including H reduces errors from 41.8 Mg ha−1 (range 6.6 to 112.4) to 8.0 Mg ha−1 (−2.5 to 23.0). For all plots, aboveground live biomass was −52.2 Mg ha−1 (−82.0 to −20.3 bootstrapped 95% CI), or 13%, lower when including H estimates, with the greatest relative reductions in estimated biomass in forests of the Brazilian Shield, east Africa, and Australia, and relatively little change in the Guiana Shield, central Africa and southeast Asia. Appreciably different stand structure was observed among regions across the tropical continents, with some storing significantly more biomass in small diameter stems, which affects selection of the best height models to reduce uncertainty and biomass reductions due to H. After accounting for variation in H, total biomass per hectare is greatest in Australia, the Guiana Shield, Asia, central and east Africa, and lowest in east-central Amazonia, W. Africa, W. Amazonia, and the Brazilian Shield (descending order). Thus, if tropical forests span 1668 million km2 and store 285 Pg C (estimate including H), then applying our regional relationships implies that carbon storage is overestimated by 35 Pg C (31–39 bootstrapped 95% CI) if H is ignored, assuming that the sampled plots are an unbiased statistical representation of all tropical forest in terms of biomass and height factors. Our results show that tree H is an important allometric factor that needs to be included in future forest biomass estimates to reduce error in estimates of tropical carbon stocks and emissions due to deforestation.

Abstract Most of the planet's diversity is concentrated in the tropics, which includes many regions undergoing rapid climate change. Yet, while climate‐induced biodiversity changes are widely documented elsewhere, few studies have addressed this issue for lowland tropical ecosystems. Here we investigate whether the floristic and functional composition of intact lowland Amazonian forests have been changing by evaluating records from 106 long‐term inventory plots spanning 30 years. We analyse three traits that have been hypothesized to respond to different environmental drivers (increase in moisture stress and atmospheric CO 2 concentrations): maximum tree size, biogeographic water‐deficit affiliation and wood density. Tree communities have become increasingly dominated by large‐statured taxa, but to date there has been no detectable change in mean wood density or water deficit affiliation at the community level, despite most forest plots having experienced an intensification of the dry season. However, among newly recruited trees, dry‐affiliated genera have become more abundant, while the mortality of wet‐affiliated genera has increased in those plots where the dry season has intensified most. Thus, a slow shift to a more dry‐affiliated Amazonia is underway, with changes in compositional dynamics (recruits and mortality) consistent with climate‐change drivers, but yet to significantly impact whole‐community composition. The Amazon observational record suggests that the increase in atmospheric CO 2 is driving a shift within tree communities to large‐statured species and that climate changes to date will impact forest composition, but long generation times of tropical trees mean that biodiversity change is lagging behind climate change.

We report above-ground biomass (AGB), basal area, stem density and wood mass density estimates from 260 sample plots (mean size: 1.2 ha) in intact closed-canopy tropical forests across 12 African countries. Mean AGB is 395.7 Mg dry mass ha −1 (95% CI: 14.3), substantially higher than Amazonian values, with the Congo Basin and contiguous forest region attaining AGB values (429 Mg ha −1 ) similar to those of Bornean forests, and significantly greater than East or West African forests. AGB therefore appears generally higher in palaeo- compared with neotropical forests. However, mean stem density is low (426 ± 11 stems ha −1 greater than or equal to 100 mm diameter) compared with both Amazonian and Bornean forests (cf. approx. 600) and is the signature structural feature of African tropical forests. While spatial autocorrelation complicates analyses, AGB shows a positive relationship with rainfall in the driest nine months of the year, and an opposite association with the wettest three months of the year; a negative relationship with temperature; positive relationship with clay-rich soils; and negative relationships with C : N ratio (suggesting a positive soil phosphorus–AGB relationship), and soil fertility computed as the sum of base cations. The results indicate that AGB is mediated by both climate and soils, and suggest that the AGB of African closed-canopy tropical forests may be particularly sensitive to future precipitation and temperature changes.

Abstract Tropical forests are global centres of biodiversity and carbon storage. Many tropical countries aspire to protect forest to fulfil biodiversity and climate mitigation policy targets, but the conservation strategies needed to achieve these two functions depend critically on the tropical forest tree diversity-carbon storage relationship. Assessing this relationship is challenging due to the scarcity of inventories where carbon stocks in aboveground biomass and species identifications have been simultaneously and robustly quantified. Here, we compile a unique pan-tropical dataset of 360 plots located in structurally intact old-growth closed-canopy forest, surveyed using standardised methods, allowing a multi-scale evaluation of diversity-carbon relationships in tropical forests. Diversity-carbon relationships among all plots at 1 ha scale across the tropics are absent, and within continents are either weak (Asia) or absent (Amazonia, Africa). A weak positive relationship is detectable within 1 ha plots, indicating that diversity effects in tropical forests may be scale dependent. The absence of clear diversity-carbon relationships at scales relevant to conservation planning means that carbon-centred conservation strategies will inevitably miss many high diversity ecosystems. As tropical forests can have any combination of tree diversity and carbon stocks both require explicit consideration when optimising policies to manage tropical carbon and biodiversity.